文 / 史偉，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師

激光技術(shù)是影響全球未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前與激光相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)已經(jīng)遍布全球，形成了豐富龐大的激光產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括光學(xué)材料及元器件；中游則是各種激光器、激光裝備及其配套設(shè)備；下游主要包括激光應(yīng)用產(chǎn)品(各類型各功率激光器)、消費(fèi)產(chǎn)品、儀器設(shè)備、加工服務(wù)等為主。

激光器作為激光產(chǎn)業(yè)鏈的核心，在高速發(fā)展的同時(shí)也將拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)板塊。那么，國(guó)產(chǎn)光纖激光器目前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？未來(lái)又將出現(xiàn)哪些新的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用？

No.1

光纖激光器的工業(yè)應(yīng)用

目前，光纖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到海洋裝備、汽車制造、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)領(lǐng)域、半導(dǎo)體制造、新能源等領(lǐng)域，基本涵蓋了所有的制造領(lǐng)域。

在工業(yè)領(lǐng)域，按照輸出功率可將光纖激光器劃分為三類：低功率光纖激光器、中功率光纖激光器和高功率光纖激光器。

其中，高功率光纖激光器又分為：

• 連續(xù)的大功率光纖激光器，主要應(yīng)用于激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光3D打印等領(lǐng)域。

• 納秒脈沖光纖激光器，主要應(yīng)用在雕刻和打標(biāo)。隨著納秒光纖激光器脈沖和能量的提高，目前也已經(jīng)廣泛應(yīng)用在激光清洗領(lǐng)域。激光清洗是一種環(huán)保高效的材料表面處理技術(shù)，對(duì)本體材料的保護(hù)具有可控性。精細(xì)加工領(lǐng)域，超快光纖激光器應(yīng)用也較多，在市場(chǎng)方面和紫外激光器也在競(jìng)爭(zhēng)。

• 高功率/高能量單頻窄線寬光纖激光器，主要應(yīng)用在相干探測(cè)市場(chǎng)，如雷達(dá)、傳感、陀螺、量子通信等領(lǐng)域。

No.2

國(guó)內(nèi)外光纖激光器的技術(shù)對(duì)比

1）關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)

輸出功率和光束質(zhì)量是光纖激光器在工業(yè)應(yīng)用時(shí)的重要參考指標(biāo)。而光纖激光器的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，則以工業(yè)應(yīng)用效果為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

輸出功率：連續(xù)激光器核心指標(biāo)，直接決定應(yīng)用效果；輸出功率越高，則對(duì)應(yīng)的加工能力越強(qiáng)；

脈沖能量：是脈沖激光器（打標(biāo)、清洗等應(yīng)用）的核心指標(biāo)，脈沖能量越高，則實(shí)用效果越佳；

BPP：該值越小，對(duì)應(yīng)的光束質(zhì)量越優(yōu)，亮度越高，加工能力越強(qiáng)；

脈沖寬度：脈寬越窄對(duì)應(yīng)的峰值功率越高，一定限度內(nèi)效果越好。

2）國(guó)內(nèi)外光纖激光器技術(shù)對(duì)比

以連續(xù)光纖激光器來(lái)看，國(guó)外單模光纖激光器工業(yè)級(jí)可達(dá)到20 kW量級(jí)；多模光纖激光器的工業(yè)產(chǎn)品基本可達(dá)到500 kW。

在中低功率光纖激光器方面，國(guó)內(nèi)外的技術(shù)水平基本沒有太大差距，國(guó)內(nèi)單模光纖激光器研究級(jí)可達(dá)到10 kW以上，工業(yè)級(jí)可達(dá)到4-5 kW；多模光纖激光器也達(dá)到了35 kW。但是高功率光纖激光器領(lǐng)域中，產(chǎn)品的技術(shù)水平和穩(wěn)定性與國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品相比仍有一定距離，需要向國(guó)外學(xué)習(xí)。

而納秒脈沖光纖激光器，從國(guó)內(nèi)外幾家公司的發(fā)展情況來(lái)看，差別不是太明顯。美國(guó)IPG的脈沖光纖激光器可以達(dá)到5000 W以上，脈沖能量在100 mJ；而我國(guó)基本上在1000 W以上，脈沖能量在30-50 mJ，差距正在逐漸縮小。

No.3

國(guó)產(chǎn)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

全球的激光市場(chǎng)和工業(yè)激光市場(chǎng)正在逐年擴(kuò)大。而在全球激光市場(chǎng)中，中國(guó)激光器市場(chǎng)份額占比最大，占據(jù)全球的主導(dǎo)地位。

工業(yè)加工是激光器的重要應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)加工及光刻在整個(gè)激光器應(yīng)用領(lǐng)域的占比大約是45%左右。而光纖激光器已成為工業(yè)市場(chǎng)的最佳選擇，在工業(yè)激光器市場(chǎng)的占比超過(guò)了50%。

近5年，光纖激光器市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，雖然近兩年增速有所放緩，但其市場(chǎng)從2015年的29.55億元快速增長(zhǎng)到2019年的82.6億元。

根據(jù)光電匯光子產(chǎn)業(yè)研究中心《2020中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》的數(shù)據(jù)顯示，IPG占中國(guó)光纖激光器市場(chǎng)銷售份額中首位，其次是國(guó)產(chǎn)激光器代表銳科激光、創(chuàng)鑫激光、杰普特等，國(guó)產(chǎn)激光器市場(chǎng)份額進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)我們也應(yīng)看到，以IPG、恩耐、相干等為代表的國(guó)外企業(yè)市場(chǎng)份額雖然有一定縮減，其總和仍占據(jù)了50%以上的市場(chǎng)份額。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展速度還是相當(dāng)?shù)目臁?/p>

從中國(guó)光纖激光器的出貨量來(lái)看，已從2013年的1.3萬(wàn)臺(tái)增至2018年的12.6萬(wàn)臺(tái)，但增速逐年遞減。其中，國(guó)產(chǎn)1.5 kW以上的光纖激光器由2013年的5臺(tái)增加至2018年的2000臺(tái)，國(guó)產(chǎn)化率由幾乎為0增加至34.5%。2019年國(guó)產(chǎn)高功率光纖激光器臺(tái)數(shù)進(jìn)一步增加，國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)超過(guò)了50%。

中功率光纖激光器，從百瓦量級(jí)到1.5 kW這個(gè)范圍，國(guó)產(chǎn)中功率光纖激光器由2013年的200臺(tái)增加至2018年的1.25萬(wàn)臺(tái)，國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)了55%。100 W以下的激光器，多數(shù)為納秒脈沖的光纖激光器，這一類的國(guó)產(chǎn)激光器基本占統(tǒng)治地位，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到98%以上。

No.4

關(guān)鍵器件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

國(guó)內(nèi)光纖激光器的發(fā)展和成本控制，主要取決于關(guān)鍵器件能否自主可控。實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器國(guó)產(chǎn)化，主要有三大要素：抽運(yùn)源、腔鏡、增益介質(zhì)；另外還有一些器件，半導(dǎo)體激光器、合束器及光柵、有源光纖、光纖的隔離輸出頭和端帽等。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展非?？欤热绫本﹦P普林是國(guó)內(nèi)較早批量提供光纖激光器抽運(yùn)源的公司，現(xiàn)在已經(jīng)有山東華光、長(zhǎng)光華芯、江蘇華興激光、深圳星漢、江蘇天元等多家可以提供優(yōu)質(zhì)抽運(yùn)源的國(guó)產(chǎn)公司。封裝已完全國(guó)產(chǎn)化，芯片也已少量國(guó)產(chǎn)化，但還需繼續(xù)努力。

合束器及光柵的供應(yīng)商有國(guó)內(nèi)的朗光科技、萊特爾、光庫(kù)科技等，工業(yè)級(jí)器件已部分國(guó)產(chǎn)化。

稀土摻雜的高質(zhì)量光纖國(guó)內(nèi)供應(yīng)商則有武漢睿芯、烽火銳光、長(zhǎng)飛公司、江蘇亨通等，工業(yè)級(jí)光纖已部分實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

光纖的隔離輸出頭和端帽供應(yīng)商，國(guó)內(nèi)有光庫(kù)科技、福晶科技、光越科技等企業(yè)，這部分器件已完全國(guó)產(chǎn)化。

No.5

國(guó)產(chǎn)光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)

分析那些國(guó)內(nèi)外發(fā)展比較好的光纖激光器企業(yè)，比如IPG，它的發(fā)展優(yōu)勢(shì)很明顯，有自己的創(chuàng)新技術(shù)，資源整合能力強(qiáng)，市場(chǎng)開發(fā)和制造能力強(qiáng)。而對(duì)于國(guó)內(nèi)光纖激光器企業(yè)來(lái)說(shuō)，想要長(zhǎng)足發(fā)展，以下幾點(diǎn)很重要：

首先是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的垂直整合。現(xiàn)在一提產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就會(huì)提到產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)鏈。有條件的公司將會(huì)做一些垂直產(chǎn)業(yè)鏈的整合，從器件到整機(jī)再到應(yīng)用，整合優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，完善產(chǎn)業(yè)鏈，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力，但一定要整合有技術(shù)含量和門檻的鏈條。目前針對(duì)整個(gè)激光產(chǎn)業(yè)鏈，從芯片到后端應(yīng)用都需要大量的光電同仁去做相關(guān)的工作。

其次是拓展現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)傳統(tǒng)機(jī)型進(jìn)行應(yīng)用拓展，開拓全新應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

第三是發(fā)展高端應(yīng)用。提高輸出指標(biāo)，探索全新機(jī)型，并致力于其應(yīng)用領(lǐng)域的高端化，提升技術(shù)附加值。

我們可以看到，國(guó)家對(duì)激光制造投入了大量的人力財(cái)力以及政策支持，無(wú)論是智能制造還是十三五、十四五計(jì)劃，國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目在激光產(chǎn)業(yè)都有布局。未來(lái)，光纖激光器的工業(yè)應(yīng)用前景將會(huì)更具潛力。

總的來(lái)說(shuō)，隨著光纖激光器在工業(yè)加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方向，光纖激光器還將朝著以下方向發(fā)展：

• 光纖激光器將以高功率、窄線寬、高能量、短脈寬、高光束質(zhì)量、新波段為發(fā)展方向；

• 光纖激光器核心器件國(guó)產(chǎn)化是大勢(shì)所趨。無(wú)論是卡脖子技術(shù)，還是降低成本需要，國(guó)產(chǎn)化都是迫在眉睫；
• 智能激光制造、激光清洗等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒁I(lǐng)光纖激光器市場(chǎng)的新增長(zhǎng)。

封面來(lái)源：Gizmag

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